Huvudförfattare FLEET doktorand Yonatan Ashlea Alava (UNSW). Kredit:FLEET
Att "odla" elektroniska komponenter direkt på ett halvledarblock undviker kladdigt, bullrig oxidationsspridning som saktar ner och försvårar elektronisk drift.
En UNSW-studie ut denna månad visar att de resulterande komponenterna med hög rörlighet är idealiska kandidater för högfrekventa, ultrasmå elektroniska enheter, kvantprickar, och för qubit-applikationer inom kvantberäkning.
Mindre betyder snabbare, men också bullrigare
Att göra datorer snabbare kräver allt mindre transistorer, med dessa elektroniska komponenter nu bara en handfull nanometer i storlek. (Det finns cirka 12 miljarder transistorer i det frimärksstora centrala chippet på moderna smartphones.)
Dock, i ännu mindre enheter, kanalen som elektronerna strömmar genom måste vara mycket nära gränssnittet mellan halvledaren och den metalliska gate som används för att slå på och av transistorn. Oundviklig ytoxidation och andra ytföroreningar orsakar oönskad spridning av elektroner som strömmar genom kanalen, och även leda till instabiliteter och brus som är särskilt problematiska för kvantenheter.
"I det nya verket skapar vi transistorer där en ultratunn metallport odlas som en del av halvledarkristallen, förhindra problem i samband med oxidation av halvledarytan, " säger huvudförfattaren Yonatan Ashlea Alava.
"Vi har visat att den här nya designen dramatiskt minskar oönskade effekter från ytfel, och visar att kvantpunktskontakter i nanoskala uppvisar avsevärt lägre brus än enheter tillverkade med konventionella metoder, säger Yonatan, som är en FLEET Ph.D. studerande.
"Denna nya enkristalldesign kommer att vara idealisk för att göra ultrasmå elektroniska enheter, kvantprickar, och för qubit-applikationer, " kommenterar gruppledaren prof Alex Hamilton vid UNSW.
Närbild:heterostrukturanordningen som konstrueras och studeras vid UNSW. Kredit:FLEET
Utmaningen:Elektronspridning begränsar högfrekventa komponenter
Halvledarenheter är en stapelvara i modern elektronik. Fälteffekttransistorer (FET) är en av byggstenarna i hemelektronik, datorer och telekommunikationsutrustning.
Transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT) är fälteffekttransistorer som kombinerar två halvledare med olika bandgap (dvs. de är "heterostrukturer") och används ofta för högeffekt, högfrekventa applikationer som mobiltelefoner, radar, radio- och satellitkommunikation.
Dessa enheter är optimerade för att ha hög konduktivitet (i jämförelse med konventionella MOSFET-enheter) för att ge lägre enhetsbrus och möjliggöra operationer med högre frekvens. Förbättring av elektronledning inom dessa enheter bör direkt förbättra enhetens prestanda i kritiska tillämpningar.
Strävan efter att göra allt mindre elektroniska enheter kräver att den ledande kanalen i HEMT:er är i närheten av enhetens yta. Den utmanande delen, som har bekymrat många forskare genom åren, har sina rötter i enkel elektrontransportteori:
När elektroner färdas i fasta ämnen, den elektrostatiska kraften på grund av oundvikliga föroreningar/laddning i omgivningen gör att elektronbanan avviker från den ursprungliga vägen:den så kallade "elektronspridnings"-processen. Ju mer spridda händelser, desto svårare är det för elektroner att färdas i det fasta ämnet, och därmed ju lägre konduktivitet.
Ytan på halvledare har ofta höga nivåer av oönskad laddning som fångas av de otillfredsställda kemiska bindningarna - eller "dinglande" bindningar - av ytatomerna. Denna ytladdning orsakar spridning av elektroner i kanalen och minskar enhetens ledningsförmåga. Som en konsekvens, när den ledande kanalen förs nära ytan, prestandan/ledningsförmågan hos HEMT faller snabbt.
Dessutom, ytladdning skapar lokala potentiella fluktuationer som, förutom att sänka konduktiviteten, resultera i laddningsbrus i känsliga enheter som kvantpunktskontakter och kvantprickar.
Elektrisk karakterisering av den nya heterostrukturanordningen visade kraftigt minskad ytladdningsspridning, och en betydande förbättring av konduktiviteten. Kredit:FLEET
Lösningen:Att först utöka växelgrinden minskar spridningen
Samarbetar med rånodlare vid Cambridge University, teamet vid UNSW Sydney visade att problemet med ytladdning kan elimineras genom att odla en epitaxiell aluminiumport innan man tar bort wafern från tillväxtkammaren.
"Vi bekräftade prestandaförbättringen via karakteriseringsmätningar i labbet vid UNSW, " säger medförfattaren Dr Daisy Wang.
Teamet jämförde grunda HEMTs tillverkade på två wafers med nästan identiska strukturer och tillväxtförhållanden - en med en epitaxiell aluminiumport, och en andra med en ex-situ metallport avsatt på ett aluminiumoxiddielektrikum.
De karakteriserade enheterna med hjälp av transportmätningar vid låg temperatur och visade att den epitaxiella gatedesignen kraftigt reducerade ytladdningsspridning, med upp till 2,5× ökning i konduktivitet.
De visade också att den epitaxiella aluminiumporten kan mönstras för att göra nanostrukturer. En kvantpunktskontakt tillverkad med den föreslagna strukturen visade robust och reproducerbar 1D-konduktanskvantisering, med extremt lågt laddningsljud.
Den höga ledningsförmågan i ultragrunda wafers, och strukturens kompatibilitet med reproducerbar tillverkning av nanoenheter, föreslår att MBE-odlade aluminium-porterade wafers är idealiska kandidater för att tillverka ultrasmå elektroniska enheter, kvantprickar, och för qubit-applikationer.
"Hög elektronrörlighet och lågbrus kvantpunktskontakter i en ultragrund hel-epitaxiell metallgate GaAs / AlxGa1–xAs heterostruktur" publicerades i Bokstäver i tillämpad fysik i augusti 2021.
